JP6455450B2

JP6455450B2 - リアクトル

Info

Publication number: JP6455450B2
Application number: JP2016003635A
Authority: JP
Inventors: 浩二中西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: JP2017126603A

Description

本発明はリアクトルに関するものである。

車載用のDC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品として、より詳細には、電力変換装置において電圧の昇圧や降圧制御をおこなう回路部品としてリアクトルが適用されている。

リアクトルの一般的な構成形態として、U型コアやI型コアの周囲にコイルが形成され、これがケース内に収容され、コアやコイルとケースの底面の間に放熱性を有するモールド樹脂体がモールドされ、ケースの下方に冷却器が配設された形態を挙げることができる。なお、特許文献１においても、放熱材を介してコイルが配設されたコアがケースに載置され、ステイを介してケースにボルト締結されたリアクトルが開示されている。

現状のリアクトルはたとえば10kHz以下で駆動されているが、20〜30kHz程度の高周波駆動が実現することで、現状のリアクトルにおいて重要な性能である、低振動・低騒音性能（いわゆるNV性能）が重要ではなくなってくるものと推察される。そのため、低振動・低騒音性能を確保する方策の一つである、コイル−ケース間に隙間を確保することが不要となり、ケースにコイルが直接当接された形態のリアクトルが期待される。

このようにケースのたとえば底面にコイルが直接当接されると、発熱源であるコイルからケースへ熱が直接伝達されることから、放熱性能に優れたリアクトルが得られる。

このように放熱性能に優れたリアクトルが期待される一方で、ケースの底面にコイルが直接当接される形態のリアクトルでは、以下で示す幾つかの課題が懸念される。このことを図６〜８を参照して説明する。

図６で示すリアクトルＲＴは、ボビンＢｏを介してコイルＣｉが配設されたコアＣｏがステイＳを介してケースＣａにボルトＢで締結されており、コイルＣｉの下端Ｃｉ’がケースＣａの底面Ｃａ’に直接当接し、ケースＣａの下方には冷媒Ｒが還流する冷却器Ｃｌが配設されてその全体が構成されている。すなわち、図示するリアクトルＲＴでは、放熱材であるモールド樹脂体がケースＣａ内にモールドされていない。

発熱源であるコイルＣｉの下端Ｃｉ’がケースＣａの底面Ｃａ’に直接当接していることから、コアＣｏやコイルＣｉで生じた熱はケースＣａの底面Ｃａ’に速やかに伝熱され（Ｘ１方向）、冷却器Ｃｌでクーリングされることになる。

特開２０１５−０９０９１２号公報

図６で示す形態のリアクトルＲＴによれば、モールド樹脂体を介してコア−コイルからケースの底面および冷却器に伝熱される形態のリアクトルに比して放熱性能は格段に向上する。しかしながら、コイルの熱膨張や熱収縮により、様々な課題が生じ得る。

図７は、コイルＣｉが熱収縮した状態を示している。同図で示すように、低温雰囲気下においてはコイルＣｉが熱収縮することにより（Ｙ１方向）、当接していたコイルＣｉとケースＣａの底面Ｃａ’が離れ、コイルＣｉと底面Ｃａ’の間に隙間Ｇが生じることになる。

このようにコイルＣｉとケースＣａの底面Ｃａ’の間に隙間Ｇが生じることで、コイルＣｉから底面Ｃａ’や冷却器Ｃｌへの放熱ルートが無くなり、リアクトルＲＴの放熱性が大きく損なわれる。

一方、図８は、コイルＣｉが熱膨張した状態を示している。同図で示すように、高温雰囲気下においてはコイルＣｉが熱膨張することにより（Ｙ２方向）、熱膨張したコイルＣｉがケースＣａの底面Ｃａ’に押し付けられ（押し付け力Ｐ）、その反力でコイルＣｉの内部に応力が発生し、この内部応力でコイルＣｉが損傷する可能性がある。

また、コイルＣｉの熱膨張によってコアＣｏが上方に持ち上げられ、このことに伴ってステイＳも上方へ引っ張られて塑性変形し、ボルトＢによる締結部の緩みや締結部の破損に繋がり得る。

以上のことより、コイルを備えたコアの下方にケースの底面が存在する形態のリアクトルにおいては、コイル等の熱膨張や熱収縮に起因した課題が顕著であることから、底面の無いケースを備えたリアクトルであって、放熱性能に優れたリアクトルの開発が当該技術分野にて切望されている。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、コイルが熱膨張や熱収縮した場合でも放熱性が阻害されたり、コイルがケースの底面に押し付けられるといった問題が生じないリアクトルを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく本発明によるリアクトルは、コイルを具備する磁性のコアと、前記コアの一側面に立設されて該コアと固定されている冷却板と、前記コアおよび前記コイルの下方部分と前記冷却板の一部とに亘って設けられ、前記冷却板に向かう方向に配向された熱伝導性フィラーが含有された熱可塑性樹脂からなるモールド樹脂体と、を備えているものである。

本発明のリアクトルは、底面を備えたケースを廃し、コイルを具備するコアをその一側面に立設する冷却板に固定し、コアおよびコイルの一部と冷却板の一部に亘って熱伝導性フィラーが含有された熱可塑性樹脂からなるモールド樹脂体を設けた構成を適用したものである。すなわち、本発明のリアクトルではモールド樹脂体がコアを支持する底面となるものである。なお、この立設する冷却板は底面の無い「ケース」と称することもできる。

ここで、冷却板は、アルミ、鉄、銅やそれらの合金などから形成できるが、SUS304-CSP、SUS301-CSP等の熱伝導性の良好な金属素材から形成されるのが好ましい。また、冷却板はその表面にクロムメッキ処理などが施された耐摩耗性の高いものが好ましい。

冷却板は、たとえばそのコア側の側面に段部を有し、コイルを具備するコアがこの段部にボルト等で締結される。より詳細には、コアの周囲に絶縁性のボビンが配設され、このボビンの周囲にコイルが配設されるとともに、ボビンの端部を突出させ、この突出部と冷却板の段部がボルト締結された形態などを挙げることができる。

また、冷却板の側面を粗面化等しておき、モールド樹脂体が冷却板の粗面に入り込んで一体化することで双方の密着強度を高めるようにしてもよい。

一方、モールド樹脂体はポリアミドやポリエステルといった熱可塑性樹脂から形成され、さらにこの熱可塑性樹脂内にシリカやアルミナ等の熱伝導性フィラーが含有されている。

本発明のリアクトルでは、モールド樹脂体内において、上記する熱伝導性フィラーが当該モールド樹脂体の平面方向に配向している構成、より具体的には、側方の冷却板に向かって配向している構成を適用している。

このように、モールド樹脂体においてその面内で熱伝導性フィラーを配向させるには、コイルを具備するコアを冷却板に接続した中間体を成形型内に収容し、冷却板と反対側から熱伝導性フィラーを含有した熱可塑性樹脂を射出成形する方法が好適であるが、この射出成形を可能にするのが熱可塑性樹脂であることから、モールド樹脂体の材料として熱可塑性樹脂を規定している。

本発明のリアクトルによれば、従来のリアクトルに比してケースの底面が廃されたことより、高さ方向の体格低減を図ることができる。さらに、コアの一側面側にのみ冷却板が配設されていることから、コアの全周囲がケースの側面で包囲されていた従来のリアクトルに比して平面的にも体格低減を図ることができる。したがって、従来のリアクトルに比してその体格を格段に低減することができ、より狭い搭載スペースへの設置が可能になる。

以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルによれば、コイルを具備するコアをその一側面に立設する冷却板に固定し、コアおよびコイルの一部と冷却板の一部に亘って熱伝導性フィラーが含有された熱可塑性樹脂からなるモールド樹脂体を設けた構成を適用したことにより、底面を具備するケースを備えたリアクトルの有する課題を解消しながら、放熱性に優れ、体格低減が図られたリアクトルを提供することができる。

本発明のリアクトルの実施の形態の縦断面図である。リアクトルの製作方法を説明したフロー図である。図２に続いて、リアクトルの製作方法を説明したフロー図である。図３に続いて、リアクトルの製作方法を説明したフロー図である。（ａ）は射出成形された樹脂を平面的に見た図であり、（ｂ）は射出成形された樹脂を側面的に見た図である。従来のリアクトルの実施の形態の縦断面図である。従来のリアクトルにおいて、コイルが熱収縮した状態を示した縦断面図である。従来のリアクトルにおいて、コイルが熱膨張した状態を示した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明のリアクトルの実施の形態を説明する。なお、図示例は冷却器を備えていないが、たとえばパワーカード用積層冷却器等を取り付けた構成であってもよい。

（リアクトルの実施の形態）
図１は本発明のリアクトルの実施の形態の縦断面図である。図示するリアクトル１０は、絶縁樹脂製のボビン３を介してコイル２が配設されたコア１と、コア１の一側面に立設されてコア１と固定されている冷却板４と、コア１およびコイル２の下方部分と冷却板４の一部とに亘って設けられたモールド樹脂体６とから大略構成されている。

コア１は、U型コアやI型コアが不図示のギャップ板を介して略環状に構成されたものであり、樹脂と軟磁性粉末等から形成される。ここで、軟磁性粉末としては、Fe、Co、Niなどの鉄族金属、鉄を主成分とする合金粉等を適用できる。特に、Fe-Si系合金、Fe-Ni系合金、Fe-Al系合金、Fe-Co系合金、Fe-Cr系合金、Fe-Si-Al系合金や希土類金属、フェライトなどを適用できる。

一方、樹脂はポリアミドやポリエステルなどの熱可塑性樹脂を適用できる。

また、ギャップ板は、例えばアルミナ（AL₂O₃）やジルコニア（ZrO₂）などのセラミックスで成形することができる。なお、ギャップ板なしの構造にてリアクトルコアの電磁気特性、すなわちインダクタンスを保証できる場合には、コア間のギャップ板の介在は不要となる。

コイル２は、銅製の導線と、導線の周囲に形成されたエナメル被膜等の絶縁被膜から構成されており、占積率の高い平角線が好適である。

冷却板４は、アルミ、鉄、銅やそれらの合金などから形成できるが、SUS304-CSP、SUS301-CSP等の熱伝導性の良好な金属素材から形成されるのが好ましい。また、冷却板４は、その表面にクロムメッキ処理などを施し、耐摩耗性の高いものが好ましい。

コア１とコイル２の間に介層されたボビン３に繋がるステイ３ａを介して、コア１は冷却板４の側面の段部にボルト５にて締結されている。

また、モールド樹脂体６は、熱伝導性フィラー６ｂが含有された熱可塑性樹脂６ａから形成されている。

ここで、適用される熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、ポリオレフィン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、メタクリル、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。

熱可塑性樹脂は、硬化炉を不要とでき、製造時間短縮を図ることができ、射出成形が可能であること、さらには、後述するように、図示するモールド樹脂体６が熱伝導性フィラー６ｂを所望の配向性をもって面的に広げながら射出成形にて製作されることから、モールド樹脂体６のマトリックス樹脂を熱可塑性樹脂としている。

また、熱伝導性フィラー６ｂの素材としては、シリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどを挙げることができる。

図１で示すように、リアクトル１０によれば、底面やコア１の全周を包囲する側壁を備えたケースが廃されていることから、従来のリアクトルに比して体格が格段に低減される。

また、底面を備えたケースが廃されたことで、コイル等の熱膨張や熱収縮に起因したコイルと底面との間で生じ得る不具合が完全に解消される。

リアクトル１０駆動時に発熱源であるコア１やコイル２から発生した熱は、それらの下方のモールド樹脂体６を介して側方に立設した冷却板４に伝熱され（Ｘ２方向）、冷却板４を介して放熱される。

この放熱性に関しては、モールド樹脂体６内にある熱伝導性フィラー６ｂが冷却板４に向かう方向に配向していることから、放熱性に優れた熱可塑性樹脂６ａと相俟って、優れた放熱性能を有するリアクトル１０となる。

たとえば、モールド樹脂体６の面内方向の熱伝導率としては、熱伝導率λ≧0.6W/mKを実現することができ、絶縁性（体積固有抵抗）に関しては、体積固有抵抗≧10¹²Ωcmを実現することができる。

（リアクトルの製作方法）
図２〜４はその順にリアクトルの製作方法を説明したフロー図である。

まず、図２で示すように、ボビン３を介してコイル２が配設されたコア１をステイ３ａを介して一枚の冷却板４にボルト接続したものを、上型Ｋ１，下型Ｋ２，側面型Ｋ３，Ｋ４からなる成形型Ｋ内に収容し、図３で示すように成形型Ｋを型閉めする。

この型閉めにおいて、ステイ３ａ等を上型Ｋ１と側面型Ｋ４等で挟持することで、コア１およびコイル２の下方と下型Ｋ２の間にモールド樹脂体成形用の空間ＳＰを形成する。

冷却板４と反対側にある側面型Ｋ４には樹脂注入口Ｋ４ａが設けてある。図４で示すように、この樹脂注入口Ｋ４ａを介して熱伝導性フィラー６ｂが含有された熱可塑性樹脂６ａを射出成形することにより（Ｚ方向）、熱可塑性樹脂６ａが空間ＳＰ内を面的に広がりながら空間ＳＰを満たしていく（図４のＬ方向はモールド樹脂体６の長手方向）。

ここで、図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、射出成形された樹脂を平面的に見た図と側面的に見た図である。

樹脂注入口Ｋ４ａを介して熱可塑性樹脂６ａが冷却板４に向かって射出成形されることにより、熱伝導性フィラー６ｂは冷却板４に向かう方向に配向される。なお、図５におけるＷ方向はモールド樹脂体６の幅方向であり、Ｈ方向はモールド樹脂体６の高さ方向である。

空間ＳＰ内に射出成形された熱可塑性樹脂６ａが硬化したら、成形型Ｋを型開きすることにより、図１で示すリアクトル１０が製作される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…コア、２…コイル、３…ボビン、３ａ…ステイ、４…冷却板、４ａ…底面、４ｂ…側面、５…ボルト、６…モールド樹脂体、６ａ…熱可塑性樹脂、６ｂ…熱伝導性フィラー、１０…リアクトル

Claims

コイルを具備する磁性のコアと、
前記コアの一側面に立設されて該コアと固定されている冷却板と、
前記コアおよび前記コイルの外周面と前記冷却板の一部とに亘って設けられ、前記冷却板に向かう方向に配向された熱伝導性フィラーが含有された熱可塑性樹脂からなるモールド樹脂体と、を備え、
前記コイルと前記冷却板とが当接しないリアクトル。